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大不列颠的通天之塔——云霄塔空天飞机及SABRE简介(前传)

2018-04-15 00:32

前言


人类关于空天飞机的梦想已经有了半个世纪之久。借(蹭)著中国正在研发空天飞机这个近日的热点(应该算吧),让我们把目光投向大不列颠,看看他们在追逐空天飞机之路上的努力和成就。今天先讲讲前传。关于HOTOL的故事。(本文作者:ScarletKaze,同时也是系列动图作者)



夭折的HOTOL与折翼的“燕子”


近段时间,关于中国正在研发空天飞行器的消息可以说是在航天爱好者圈子里引起了不小的轰动。

在两会期间的采访中,来自航天科技和航天科工的代表面对记者都表示各自的空天飞行器项目正在稳步推进中。

那么今天鄙人也来蹭个热点,写一点空天飞机的东西,当然不会写国内的(毕竟我也不知道多少)。标题已经剧透了(废话),这个系列的主角是来自英国——这个在人类航天事业中似乎没多少存在感的国家的“云霄塔”(Skylon)空天飞机及其“佩刀”(SABRE)协同吸气式发动机。



邦德老爷子与云霄塔模型的合影




这篇文章是个前传,所以再请出这两位主角之前,先向在座各位介绍一个人:英国机械和航空航天工程师艾伦?邦德(Alan Bond)先生。邦德拥有机械工程学位,曾在罗尔斯?罗伊斯公司参与过RZ.2液氧煤油发动机和RZ.20氢氧发动机的开发工作,前者被用于“蓝条纹”短程弹道导弹和命运悲惨的“欧罗巴”运载火箭。邦德也曾在英国卡尔姆核聚变实验室工作了20年,著名的“代达罗斯”星际飞船概念就是他在这个时期提出的……总之,艾伦?邦德是一位非常富有创造力且有天赋的工程师,他的一些工作贯穿了下文所述HOTOL项目乃至云霄塔的研发历程,

他可以说是这两个项目的灵魂人物之一



除亚轨道首飞外全败的“欧罗巴”火箭,“欧罗巴”这个名字是不是就是Flag…


让我们把历史的进程拨回1982年,就在上一年年底,哥伦比亚号航天飞机成功首飞,人类第一次实现了航天运载工具的重复使用。而在这期间,英国宇航公司(BAE)——欧洲主要的卫星制造商之一也在开展可复用航天发射系统的研发工作。英国人认为,航天飞机的运营成本对于英国来说还是过于高昂,设计中的发射系统的运营成本要压到航天飞机的20%。由于无论是千吨级固体助推器和分级燃烧氢氧发动机对于当时的英国(似乎现在也一样)来说都是高不可攀,注定了英国无法复制航天飞机的道路,只能另辟蹊径。于是我们的艾伦?邦德先生登场了,邦德曾在预冷空气发动机领域有所造诣。预冷空气发动机的概念由Carmichael R P 在 1955年提出 ,以氢为燃料的发动机,如果采用一个预冷器冷却来流,理论上会具有比碳氢燃料发动机更高的性能,低温环境使得发动机可采用轻质材料,质量流量更高。于是英国宇航公司的鲍勃?帕金森博士很快找到了邦德,请他设计一款可用于重复使用发射系统的发动机,这就是

HOTOL“霍托尔”空天飞机和RB545“燕子”吸气式火箭发动机——云霄塔和SABRE的前身,他们诞生之前的故事



HOTOL结构图(分辨率略辣眼,凑合看吧…)


HOTOL全称为Horizontal Take-Off and Landing,即水平起飞和着陆。这也是空天飞机的基本特征之一

。HOTOL被设计为一种无人带翼单级入轨运载器,长62.8米,机身直径7米,翼展28.3米。从正面看,HOTOL机身截面是一个底部扁平的扁圆型,类似于波音737发动机舱正面的形状;侧视图则是一个斜锥形。类似于“协和”超音速客机的下单翼位于机身后部,这种机翼设计可以带来相对较低的翼载荷,从而有效降低了再入时的温度。这使得HOTOL不需要航天飞机那种昂贵且娇贵的陶瓷隔热瓦,碳纤维复合隔热材料即可满足要求。由艾伦?邦德设计的RB545发动机及其进气道同样位于机身后部,整个机身内部从前到后大体呈燃料储箱-货仓-发动机的布局。

HOTOL起飞重量约250吨,可将7-8吨的载荷送到约300km的轨道。


HOTOL可以说是围绕RB545吸气式火箭发动机而设计的。RB545由艾伦?邦德亲自操刀设计,罗尔斯?罗伊斯公司负责生产。它是一种融合了吸气式发动机和火箭发动机的动力装置,在大气中以吸气方式工作,在大气层外又可以像传统火箭发动机那样使用自身携带的氧化剂维持燃烧。RB545可以在吸气工作状态下达到5马赫的速度,实现这一点的关键就是预冷空气的设计。先明确一点,RB545虽然可以以吸气状态工作,但它具有火箭发动机的推力室设计以及和火箭发动机几乎一样的燃料喷注及燃烧工作方式。

所以个人更倾向于将RB545视作一种火箭发动机

。这样接下来就比较好解释了,火箭发动机的性能的一个重要影响因素是燃烧室压力,即室压。一般而言室压越高发动机的推力、比冲等各项性能就越好。在传统火箭发动机其中,燃烧室的高室压由预燃室推动的涡轮泵维持。一些大推力火箭发动机的涡轮泵是真正的怪物,其功率甚至可以匹敌一艘中型航母的主机。而在RB545上,室压的维持自然不可能依靠涡轮泵,只能依靠吸入空气的压力。然而即使经过高压比压气机的压缩,进入燃烧室的空气仍然不可能将室压维持在10-20MPa,这个压力是大多数高性能火箭发动机的室压范围。所以,在进气道内设置预冷器,将空气冷却后再送入燃烧室,这样就可以有效提高吸入空气的压力,给发动机带来更高的效率,这就是预冷空气发动机的基本思路。

预冷空气发动机和冲压发动机一样可以作为高超音速动力装置,但是预冷空气发动机可以在零高度零速度下起动,冲压发动机明显不能。


RB545简单原理图


让我们回到RB545本身。空气由两个彼此分隔的进气道进入发动机,然后被分流。大部分进入预冷器,被液氢冷却,然后被高压比压气机送入推力室燃烧做功。经过预冷器被空气加热的液氢也分为两部分,一部分进入推力室与空气混合燃烧。另一部分推动涡轮驱动压气机后,与上面所述分流后的另一部分空气在一个旁路冲压燃烧装置中燃烧后向后排出,提供一部分推力的同时也提供一个相对于吸气方向的负压力,以减少吸气阻力。HOTOL由一个特殊的轨道火箭推车发射升空,因为英国人认为能支撑起200多吨机身的起落架太重,会影响HOTOL的载荷系数。

当高度达到26000m,速度达到5Ma时,RB545将从吸气工作模式切换至传统火箭发动机的闭式工作模式,使用液氧作为氧化剂维持燃烧

。RB545在大气中的推重比高达14,海平面推力340kN,真空推力735kN。


进气道后面那俩发红光的圈圈就是旁路燃烧装置的排气口


然而,在现在看来,HOTOL这一就当时而言过于超前的项目注定困难重重,实际上HOTOL在发展过程中很快就遇上了各种各样的问题。首先是最致命的问题——money……在HOTOL项目初期,由约翰?斯科特和鲍勃?帕金森博士领导的罗?罗与BAE联合团队就有将HOTOL项目纳入欧洲宇航合作框架内的打算,当时整个项目估计将花费40亿英镑,精于算计的英国佬自然不想独自承担。1984年8月,BAE向外界公布了HOTOL项目及其运营细节,以希望引起其他欧洲国家的兴趣和参与。西德对HOTOL项目表示了兴趣,而法国则对此并不感冒。

法国人认为HOTOL会和其开发中的“赫尔墨斯”小型航天飞机产生竞争(最后还不是全被砍了2333)

。在法国的政治干预下,HOTOL“欧洲化”的路子并不顺利。



法国佬“赫尔墨斯”小型航天飞机,计划由Ariane 5发射


俗话说“东边不亮西边亮”(我胡编的),大西洋对岸的美国人对HOTOL产生了兴趣。

2009年披露的一些秘密文件显示,罗?罗曾和美国洛克达因公司就HOTOL项目进行技术许可谈判。

英国人需要美国的冲压发动机技术及火箭发动机喷管技术以支持RB545发动机的研发工作。当时英国内阁政务委员戴维?杨和美国总统里根的科学顾问乔治?凯沃斯的一次会议记录也显示了美国对HOTOL这种高超音速飞行器的兴趣。但是在英国,BBC和国防部都不希望美国参与其中。就连BAE也认为HOTOL项目的合作应限于欧洲空间框架内,让美国参与其中可能使HOTOL在欧洲下一代发射系统的竞争中处于不利地位。然而,罗?罗认为跨大西洋的合作是必要的。


1985年4月,国防部研发部门副总监詹姆斯?巴恩斯在给内阁首席科学顾问罗宾?尼克尔森爵士的一封信中写道,没有理由开发HOTOL,因为其不能用于国防,而且HOTOL在21世纪20年代之前不大可能投入使用,并且“工程问题很大”。同年11月,皇家飞机制造公司(RAE)对HOTOL项目作出评估。

RAE认为HOTOL的研发周期将长达20年,而不是罗?罗与BAe此前宣称的12年。

此外,RAE表示HOTOL的项目总花费将高达50亿英镑(1985年币值)。1986年,英国政府批准了为期两年的项目可行性研究,预计将花费2500万英镑。

然而,1987年11月欧空局批准全面开发阿丽亚娜5号运载火箭成为了压垮HOTOL的最后一根稻草。

1989年,HOTOL的前途越来越黯淡,先是罗?罗退出该项目,理由是判断HOTOL的市场价值不足以偿还其开发成本。然后英国政府又拒绝为HOTOL项目进一步提供资金。此外进一步的研究表明HOTOL的设计存在不少问题,其中一个就是由于货舱和发动机后置,飞行过程中燃料消耗导致的重心变化问题会引起飞行不稳定,而解决这一问题需要额外加装不少液压机构,这又将导致结构重量进一步增加……



从SSTO空天飞机变成这样子,发动机还是买的…完犊子玩意


1991年.BAE又提出了一个HOTOL的廉价替代方案,叫临时HOTOL或者HOTOL-2。其气动设计与HOTOL基本相似,但尺寸缩小,发射方式也改为由安225运输机在空中发射,发动机由RB545改为购买前苏联的RD0120氢氧发动机……显然,没人会为这个带翼空射运载火箭买单。从空天飞机到空射运载火箭,同样是空字开头,哪个比较low一目了然……



劳资们单干啦!!!




1989年,艾伦·邦德、约翰·斯科特和理查德·瓦尔维尔这三位HOTOL项目的创始人级人物联合成立了Reaction Engines公司(REL)

,HOTOL和RB545的故事告一段落,云霄塔和SABRE的故事开始了。



(本文内容总结)




(全文完)


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